Нейроны соревнуются за память

Информация, которая имеет отношение к одному и тому же предмету или ситуации, записывается в мозге одними и теми же нейронами, которые не подпускают к этой информации конкурентов из других нейронных сетей.

Нейробиологи, занимающиеся памятью, обычно работают с каким-то одним блоком информации, который откладывается в нервной системе – грубо говоря, с одним воспоминанием: это может быть воспоминание, например, о том, что в лабиринте нужно повернуть влево, или о том, что в какой-то клетке тебя ударят током, или, наоборот, чем-нибудь угостят (речь, понятно, идёт об опытах на животных). Но ведь мозг «записывает» внутри себя массу всего, и порой одновременно. И тут возникает важный, но пока ещё мало исследованный вопрос: как разные фрагменты информации взаимодействуют в нейронном хранилище?

Сейчас мы знаем, что информация записывается в мозге с помощью так называемых энграммных клеток. Под энграммой понимают след, оставленный раздражителем; если говорить о нейронах, то повторяющийся сигнал – звук, запах, некая обстановка и т. д. – должны провоцировать в них некие физические и биохимические изменения.

Если стимул потом повторится, то «след» активируется, и клетки, в которых он есть, вызовут из памяти всё воспоминание целиком. Иными словами, у нас энграммные («ключевые») нейроны отвечают за доступ к записанной информации, а чтобы сами они заработали, на них должен подействовать ключевой сигнал.

Их впервые описали в гиппокампе, который служит одним из основных центров памяти, но такие же энграммные клетки есть в миндалевидном теле, или амигдале, отвечающем за эмоции. Эксперименты с амигдалой и эмоциональными переживаниями навели нейробиологов на мысль, что энграммные нейроны миндалевидного тела конкурируют между собой за право зашифровать то или иное воспоминание; и выигрывают среди них обычно либо наиболее возбудимые клетки, которые активнее других реагируют на новый сигнал, либо те, в которых содержится больше белка под названием CREB – от него зависит формирование долговременной памяти.

Как проявляется конкуренция нейронов за память? Исследователи из Торонтского университета поставили следующий опыт: мышей после определённого звукового сигнала слегка били током по ногам, затем, спустя какое-то время, звучал второй сигнал, после которого тоже следовал удар током. Мыши выучивали оба звука: когда они потом слышали любой из них, то замирали на месте, демонстрируя обычную стрессовую реакцию грызунов (то есть ключевыми сигналами для энграммных клеток, будившими неприятные воспоминания, здесь оказывались звуки). То, какие нейроны в это время работали, можно было определить молекулярным анализом, по генам arc и homer1a (h1a) – если в нейроне обнаруживались следы деятельности гена arc, значит, данный нейрон был активен не далее как пять минут назад, если же в нейроне активировался ген h1a, значит, нервная клетка работала 30–40 минут назад.

То есть с помощью arc и h1a можно было различить, какие нервные клетки записали звуки, предупреждающие об опасности. Оказалось, что тут большую роль играет временной диапазон между сигналами: если во время обучения оба звука шли друг за другом в пределах шести часов, то оба они попадали к одним и тем же клеткам. Если же между обучением одному звуку и обучением другому звуку проходило от 18 до 24 часов, то память о них расходилась по разным популяциям нейронов.

Когда неприятное воспоминание, связанное со звуком номер два, подавляли – то есть звук уже не предшествовал электрошоку – у мышей заодно слабели неприятные ассоциации и со звуком номер один, но только в том случае, если изначально память насчёт того и другого формировалась в пределах вышеупомянутых шести часов. Поведенческий эксперимент вполне согласовывался с тем, что удалось увидеть на уровне нейронов: информация, поступившая в мозг в определённый временной промежуток, сохраняется в одной «микросхеме».

Наконец, авторы работы сделали ещё один опыт, попытавшись искусственно связать блоки информации, которые разделяли сутки. Мышей с помощью оптогенетических методов модифицировали так, чтобы их нейроны можно было стимулировать или подавлять световым импульсом. В результате, стимулируя группу нейронов, запомнивших первый звуковой сигнал, удалось в них же записать и второй сигнал, хотя сеанс обучения с этим вторым сигналом происходил, как было сказано, спустя 24 часа. Удалось сделать и обратное – разорвать связь межу воспоминаниями, сформировавшимися в пределах шести часов: здесь активность нейронов, наоборот, подавляли, так что информация о втором звуке переходила к какой-то другой конкурирующей группе.

Наконец, межнейронную конкуренцию удалось увидеть напрямую: в статье в Science Шина Джоссилин (Sheena A. Josselyn) и её коллеги пишут, что когда наставал черёд запоминать второй звук, нейроны, запомнившие первый звук, с помощью специальных сигналов подавляли активность других нервных клеток, так что память о втором звуке доставалась им же, то есть «нейронам первого звука».

Похожие результаты были получены ранее для гиппокампа, так что, очевидно, такая конкуренция нервных клеток есть общее свойство памяти, где бы она ни формировалась. Скорее всего, есть и другие параметры, помимо времени, которые обуславливают сцепленность воспоминаний, и, вероятно, именно благодаря конкуренции нейронов и их способности связывать блоки информации друг с другом мы не тонем в хаосе бессвязных воспоминаний.

По материалам The Scientist.